Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie

De man van het absolute nulpunt

[p. 502]

32 Nadagen

Na de oorlog bleef het tobben met Onnes' gezondheid. Om de bronchitis de baas te blijven moest hij zich onderwerpen aan een ‘streng regime’: vermoeienissen mijden, oppassen voor het Hollandse klimaat. ‘[D]ie heerlijke dagen van vroeger,’ verzuchtte hij tegenover Van der Waals, ‘van 's morgens tot 's avonds op het lab + menig uurtje thuis daarna.’¹ Maar dankzij de goede zorgen van Bé hield Onnes zich staande en ook in zijn nadagen wist hij bergen werk te verzetten.

Onnes was goed voor zijn personeel, maar er diende hard gewerkt te worden. Toen de ambtenarenbond in 1918 onder verwijzing naar de demobilisatie invoering van de ‘Engelsche zaterdag’ bepleitte, een vrije zaterdagmiddag, wilde de hoogleraar-directeur daar niets van weten. ‘De bloei der inrichting zou daardoor op zeer ernstige wijze worden geschaad,’ schreef hij aan de curatoren.² Niet alleen kende het personeel al ‘een ongestoorde zomervacantie van vier à vijf weken’, gold er ‘gedwongen individueele vacantie na overwerk of groote inspanning’ en hoefde men 's zomers pas om halfnegen te beginnen ('s winters acht uur), ook werd ‘met groote vrijgevigheid’ verlof verleend, zelfs ‘voor genoegens als schaatsenrijden of het profiteeren van bijzonder mooie zomerdagen’. Bovendien zat het personeel helemaal niet te wachten op een vrije zaterdagmiddag. Ook voor onderschikte technici was ‘veel en intensief werken een genot’ en de vervlechting met het wetenschappelijk onderzoek gaf geestelijke bevrediging. Beter was het, aldus Onnes, het personeel meer te betalen en waardering op te brengen voor ‘de wijze waarop hier op den Zaterdagmiddag met volle kracht wordt doorgewerkt om 's Rijks belangen te bevorderen.’ Tekenend is het opschrift dat Onnes de map met correspondentie over dit onderwerp gaf: ‘luieractie’.³ Het pleidooi voor handhaving van de oude toestand vond gehoor: voorlopig geen vrije zaterdagmiddag in het Natuurkundig Laboratorium.

Vloeibaar helium was er nauwelijks tijdens de oorlogsjaren. De voorraad heliumgas, zo'n 300 liter, was de eerste jaren net genoeg om de liquefactor in bedrijf te houden maar van proeven ‘van eenigen omvang’ kon geen sprake meer zijn⁴ en sinds het najaar van 1916 stond de heliumliquefactor stil.

1 hko aan Van der Waals, 8 maart 1919, ranh, Van der Waalsarchief.

2 hko aan Curatoren 21 juni 1918, ub Leiden, Archief Curatoren, inv.nr. 1613.

3 Archief Huygenslaboratorium.

4 C.A. Crommelin, ‘Methoden en hulpmiddelen in het cryogeen laboratorium’, Het Natuurkundig Laboratorium 1904-1922, 53-55.

[p. 503]

Levering van monazietzand uit Amerika was niet aan de orde en ook heliumhoudende destillaten van de vloeibare luchtmachines van Georges Claude waren buiten bereik. Ook aan chloormethyl bestond gebrek. Toen het Natuur- en Geneeskundig Congres in april 1919 in Leiden bijeenkwam en Onnes er veel aan gelegen was om Niels Bohr vloeibaar helium te demonstreren, was in heel Nederland nog maar een halve kilo te krijgen, nauwelijks voldoende om de cascade in gang te houden - chemische bewerking van bijeengesprokkelde restjes methylalcohol zorgde voor aanvulling.⁵

Niettemin werd in een laboratorium dat door de ‘crisismoeilijkheden’ en de verbouwing ‘in een ontredderde toestand’ verkeerde een nieuwe heliumliquefactor gebouwd. Die had een dubbel zo snelle circulatie (12 m³ per uur), de aanlooptijd naar de eerste druppels was nog maar 20 minuten, het verbruik van vloeibare waterstof halveerde en de productie van vloeibaar helium steeg tot 1,7 liter per uur.⁶ April 1919 werd hij in gebruik genomen. Eerder kon niet omdat ‘onmisbare reserve vacuumglazen’ met het gemeentelijk ‘crisisgas’ niet te blazen vielen. Tijdens het uittesten van de liquefactor ontdekten Willem Tuyn en Onnes dat het metaal thallium een supergeleider was. De demonstratie op vrijdagmiddag 25 april voor het Natuur- en Geneeskundig Congres was een eclatant succes: ‘het was een “koude drukte” zoals de grap van de dag luidde,’ schreef Onnes vergenoegd aan Keesom.⁷ Hoe de voorraad heliumgas na de oorlog tot de benodigde 500 liter was

Kamerlingh Onnes, Niels Bohr, Lorentz en Paul Ehrenfest (van rechts naar links) bij de tweede heliumliquefactor, 1919.

5 Handelingen van het xviide Nederlandsch Natuur- en Geneeskundig Congres (Haarlem 1920) 152-159. Comm. supplement 43c.

6 H. Kamerlingh Onnes, ‘Methoden en hulpmiddelen in gebruik in het cryogeen laboratorium. xix. De chloormethyl- en ethyleen-circulaties. De waterstofliquefactor en -circulatie. De heliumliquefactor en -circulatie.’ Verslagen 35 (september 1926) 862-870. Comm. 158.

7 hko aan Keesom, 12 mei 1919, ranh, Keesomarchief.

[p. 504]

opgekrikt is niet duidelijk, wellicht dat Claude uitkomst bood.

Omvangrijk kan zo'n transactie niet geweest zijn: binnen een paar maanden liet de heliumvoorraad opnieuw te wensen over. Aangemoedigd door F.G. Cottrell, die in de zomer van 1919 het cryogeen laboratorium bezocht en toen vertelde dat hij in Texas een fabriek voor het verzamelen van heliumgas had gebouwd,⁸ ondernam Onnes toen een opmerkelijke stap: hij wendde zich tot de Amerikaanse marine. Op 2 september 1919 ging er een telegram naar admiraal Griffin van het Bureau of Mines in Washington, werkgever van Cottrell. ‘According advice American colleagues I pray to send helium for continuing experiments lowest temperatures. For balancing suffered losses and advancing needed immediately one cylinder in next future twenty cubic meters.’⁹ Om de gedachten te bepalen: in een standaardcilinder van 42 liter ging 5 kubieke meter (onder 120 atmosfeer). En de eerste liquefactie van helium in 1908 was gelukt met 200 liter plus 180 liter reserve. Onnes' verzoek om toezending van ettelijke duizenden liters heliumgas getuigde dus niet van bescheidenheid.

Maar dat hoefde ook helemaal niet: de Amerikanen bulkten van het helium. Zodra de oorlog uitbrak kreeg het Bureau of Mines opdracht op zoek te gaan naar heliumbronnen, met het oog op het vullen van observatieballonnen en luchtschepen - vergeleken met waterstof bezit helium het voordeel dat het onbrandbaar is. Bij Fort Worth in Texas verrees een fabriek waar helium uit aardgas werd gewonnen door de overige bestanddelen uit te vriezen. Zo'n 4000 kubieke meter stond, samengeperst in kratten stalen gasflessen, klaar voor verscheping naar Frankrijk toen daar de wapenstilstand getekend werd.¹⁰ In verhouding tot de circa duizend cilinders die de Amerikaanse marine op voorraad had, was het Hollandse verzoek om vijf stuks peanuts. Najaar 1919 arriveerden ze in Leiden, een gift ter waarde van ‘ettelijke duizenden guldens’, aldus Onnes aan curatoren.¹¹ De zuiverheid van het helium was boven verwachting: gemiddeld 96 procent. Was de wereldoorlog toch ergens goed voor geweest.

De riante voorraad heliumgas bracht het Bureau of Mines vanzelf op de gedachte van een eigen cryogeen laboratorium, inclusief heliumliquefactor. R.B. Moore werd met de taak belast. Maart 1921 maakte Onnes in zijn begrotingsvoorstellen gewag van de Amerikaanse plannen om het Leidse monopolie op vloeibaar helium te doorbreken, al dacht hij dat het nog wel enkele jaren zou gaan duren eer het zover was - ‘heel wat pompen maar geen personeel’, zou een collega van Moore de toestand samenvatten.¹² Natuurlijk greep Onnes de dreiging aan om een versteviging van zijn positie te bepleiten. Zonder meer materieel subsidie en nieuw vast personeel voor het verbouwde en uitgebreide laboratorium, aldus de begroting voor 1923, ‘is het

8 Laboratorium-dagboek Crommelin, 6 oktober 1921, mb, archief 132.

9 hko aan Griffin, 2 september 1919, archief Huygenslaboratorium.

10 W.H. Keesom, Helium (Amsterdam 1942) 14-19.

11 Begroting 1921, ub Leiden, Archief Curatoren, inv.nr. 2040.

12 Zie noot 8, 15 augustus 1921.

[p. 505]

Kamerlingh Onnes en bedrijfschef van het cryogeen laboratorium Gerrit Jan Flim (links) bij de tweede heliumliquefactor, 1919.

ons onmogelijk te handhaven op de plaats, die wij ons in de wedstrijd der natien door het cryogeen laboratorium hebben veroverd’.¹³ Twee jaar daarop, in zijn laatste begroting voor hij op zijn zeventigste met emeritaat ging, tapte Onnes nog eenmaal uit het vertrouwde vaatje. ‘Met tonnen gouds zou later niet goed te maken zijn, wat door het thans achterwege laten van de gevraagde steun aan verwoesting zou brengen.’¹⁴

Liet de eerste Amerikaanse heliumliquefactor tot begin jaren dertig op zich wachten, in Canada was John McLennan er sneller bij. Ook hier was de wereldoorlog het startpunt. In 1915 gingen ook de Britten op zoek naar helium voor luchtschepen. McLennan, hoogleraar aan de Universiteit van Toronto, werd met de klus belast. In 1918 verrees in Hamilton een fabriek voor de productie van heliumgas (later verplaatst naar Calgary). Van december 1919 tot april 1920 is daar 1700 m³ verzameld. Ook McLennan wilde een

13 Begroting 1923, ub Leiden, Archief Curatoren, inv.nr. 2042.

14 Begroting 1925, ub Leiden, Archief Curatoren, inv.nr. 2044.

[p. 506]

heliumliquefactor en om Kamerlingh Onnes gunstig te stemmen nam hij september 1921 bij zijn bezoek aan Leiden als cadeautje een volle cilinder helium mee. Als dank mocht de Canadees niet alleen bij Flim in de keuken kijken, ook kreeg hij van Onnes de complete bouwtekeningen mee van zowel de waterstof- als de heliumliquefactor. Eigenlijk had McLennan het liefst gezien dat Onnes een kleine heliumliquefactor voor hem bouwde, goed voor een paar cc., maar daar kon geen sprake van zijn.¹⁵ Terug in Toronto kon McLennan, nadat zijn glasblazer in Leiden van Kesselring had geleerd dewarvaten te fabriceren,¹⁶ twee jaar later zijn eerste vloeibare helium aftappen¹⁷ en was Leiden na vijftien jaar de alleenheerschappij kwijt. Prompt vroeg Onnes de Canadees toe te treden tot de wetenschappelijke commissie van het Institut International du Froid.

Deze politiek van cryogene openheid was geen incident. Leiden had, aldus Onnes in 1924 op het vierde internationale koudecongres in Londen, niet alleen zijn toestellen tot in de kleinste details gepubliceerd, ‘ook was het algemeen bekend dat volledige ongepubliceerde gegevens en exacte technische tekeningen, alsmede details over materiaal en behandelwijze geheel gratis werden verstrekt’.¹⁸ Dit ter bevordering van de ‘solidariteit’ onder bestaande en aanstaande cryogene laboratoria, en tot meer ‘nut’ van het Leidse werk. Cryogene proliferatie was geen gevaar maar doel. Weliswaar verschoven hierdoor de grenzen van het experimentele landschap, en hoefden collega's voor bepaalde onderzoekingen niet meer naar Leiden, tegelijk zou er altijd behoefte blijven aan een laboratorium dat zich specialiseerde in ‘pionierswerk’ en ‘precisiemetingen’ bij de ‘allerlaagste temperaturen’.

Die laagste temperatuur werd vooralsnog bepaald door de druk boven het heliumbad. Bij de eerste liquefactie op 10 juli 1908 kon Onnes tot 10 mm kwikdruk afpompen (de Burckhardtpomp viel zo snel niet aan te koppelen), corresponderend met 1,7 kelvin. Via 1,38 kelvin in 1909 en 1,04 kelvin in 1910 stond het record sinds 1919 op 1,00 kelvin (bij een druk van 0,15 mm).¹⁹ Overigens zijn dit waarden volgens de temperatuurschaal van 1932. In de beginjaren van het vloeibare helium schortte het aan een nauwkeurige schaal zodat Onnes op iets andere getallen uitkwam. Temperatuurbepalingen per heliumgasthermometer lagen voor de hand maar het probleem was dat de druk in het glazen bolletje onder de dampdruk van helium moest blijven, anders zou condensatie optreden. Die druk moest nog eens extra laag zijn om afwijkingen van de wet van Boyle - basis van de gasthermometer - binnen de perken te houden. Maar gasdrukken beneden de millimeter waren met goed fatsoen niet meer per kwikmanometer te bepalen. Daar kwam nog bij dat bij lage druk systematische fouten sterker op de voorgrond traden als gevolg van thermomoleculaire drukverschillen.

15 Zie noot 8, 16 september 1921.

16 McLennan aan Crommelin, 10 augustus 1922; Crommelin aan McLennan, 18 augustus 1922, ub Leiden, archief Stationsweg.

17 J.C. McLennan, ‘The Cryogenic Laboratory of the University of Toronto’, Nature, 112 (28 juni 1923) 135-139.

18 H. Kamerlingh Onnes, ‘Organisation and Work of the 1rst International Commission of the International Institute of Refrigeration’. Comm. supplement 48.

19 Keesom, Helium, 175.

[p. 507]

In de praktijk werden drukken tussen 1 en 0,001 mm kwik gemeten met een Knudsen-weerstandsmanometer.²⁰ Die bestond uit een dunne platinadraad gemonteerd in een glazen buisje dat in verbinding stond met de ruimte waarvan de druk bepaald moest worden. Liep er een stroom door de draad, met warmteontwikkeling, dan waren diverse grootheden aan elkaar gekoppeld: de stroomsterkte hing af van de platinaweerstand, de platinaweerstand hing af van zijn temperatuur, die temperatuur hing af van de warmtegeleiding door het ijle gas, en die warmtegeleiding hing weer af van de druk. Dus bestond er via via een relatie tussen stroom en druk, die met een ijking werd vastgelegd. Meting van de stroom gaf vervolgens de gevraagde druk. De methode was tot op 0,5 procent nauwkeurig. Omdat in een buisje, in geval van een extreem ijl gas én uiteinden die verschillen in temperatuur, de druk aan die uiteinden ongelijk is (een gevolg van de grote vrije weglengte die de gasmoleculen in die situatie bezitten), zag Onnes zich gedwongen zijn Knudsen-weerstandsmanometer in de cryostaat in het heliumbad te monteren.

20 C.A. Crommelin, ‘Thermometrie en manometrie’, Het Natuurkundig Laboratorium 1904 - 1922, 221-223.

Het mysterie van het overlopende helium

Waarom steeds kouder? Eén reden was dat Onnes bevroren helium wilde. Dat helium zelfs bij 0,15 mm kwikdruk vloeibaar bleef was een hele teleurstelling. Het voordeel was wel dat het meetgebied om materiaaleigenschappen te bepalen sterker richting absolute nulpunt werd uitgebreid dan verwacht. Onnes heeft zijn inspanningen om de temperatuur zo ver mogelijk omlaag te krijgen uit de doeken gedaan in een lezing voor de Faraday Society and British Cold Storage and Ice Association: ‘On the lowest temperature yet obtained.’²¹ Op 16 oktober 1922 zou hij haar in het kader van een ‘General Discussion on “The Generation and Utilisation of Cold”’ persoonlijk in Londen komen uitspreken en Onnes had zich erop verheugd bij die gelegenheid eindelijk eens James Dewar in levende lijve te ontmoeten. Helaas, de dokter verbood de trip: te koud, te vermoeiend.²² Onnes zou de zomer van 1924 alsnog naar Londen reizen om het vierde internationale koudecongres te bezoeken, maar toen was Dewar dood.

Op 23 november 1920, de verjaardag van Van der Waals (hij werd 83), deed Onnes een poging het kouderecord opnieuw naar omlaag bij te stellen. Met een extra ‘pompenbatterij’ in serie met de Burckhardt-exemplaren hoopte Onnes de druk tot 0,005 mm te verlagen, schreef hij de avond tevoren naar Amsterdam.²³ Die batterij bestond uit glazen en ijzeren ‘Langmuirpompen’, voor een deel ter beschikking gesteld door Philips. Deze kwikdiffusiepompen, in 1916 geïntroduceerd door de Amerikaan Irvin Langmuir, werkten op basis van elektrisch verhitte damp. Omdat vuur in het helium-

21 H. Kamerlingh Onnes, ‘On the lowest temperatuur yet obtained’, Transactions Faraday Society, december 1922; ook verschenen als Communication 159, ‘Further experiments with liquid helium. P. On the lowest temparature yet obtained’.

22 hko aan Dewar, 12 oktober 1922, Royal Institution, Dewararchief.

23 hko aan Van der Waals, 22 november 1920, ranh, Van der Waalsarchief.

[p. 508]

lokaal (vanwege de aanwezigheid van waterstof) streng verboden was, stond de Langmuir-batterij opgesteld in een belendend lokaaltje met een ventilator. Jammer voor Van der Waals, maar deze eerste poging faalde. Een van de glazen diffusiepompen knapte; de ravage was enorm. ‘'t Was een hele teleurstelling,’ schreef Onnes aan Lorentz, ‘vooral van 't verloren werk.’²⁴

Een jaar later lukte het wel: op 13 oktober 1921 zogen zestien kwikdiffusiepompen in eendrachtige samenwerking met de Burckhardtpompen de druk boven het helium omlaag tot 0,005 mm - bepaald met een McLeod-manometer voor lage drukken. Bijzondere aandacht was besteed aan de warmteisolatie van het heliumbad. Straling van onderdelen in de cryostaat die op kamertemperatuur lagen (algauw een substantieel bedrag: die energie loopt op met de vierde macht van de temperatuur) werd van het bad afgeschermd door metalen reflectieschermen die in warmtecontact stonden met vloeibaar helium. Straling van bovenaf werd bovendien opgevangen door een dubbelwandig glazen kapje, vanboven zwart en vanonder verzilverd, terwijl de tussenruimte vloeibaar helium bevatte - een ‘meesterstukje van glasblazerskunst’, aldus Onnes, gemaakt door Kesselring (zie figuur).

De dag voor de recordpoging werden toestellen alvast vacuüm gepompt en werd ruim 50 liter vloeibare lucht gemaakt. De vroege morgen van de dertiende oktober kwam daar 24 liter vloeibare waterstof bij. Rond het middaguur werd vloeibaar helium uit de liquefactor overgeheveld naar de cryostaat, waarna het afpompen kon beginnen. Onnes' hoop was dat het helium zou bevriezen, maar noch met het blote oog noch met de kijker was iets te zien en ook de roerder in het heliumbad kwam niet vast te zitten. Opmerkelijk was wel dat het niveau in binnenvat en buitenmantel even hoog bleef. Als met de roerder vloeistof van de ene naar de andere ruimte werd overgeveld, herstelde het evenwicht zich onmiddellijk. Ook het schijnen van licht op de buitenmantel, wat aldaar de verdamping sterk opvoerde, werd gevolgd door razendsnel reagerende niveaus.

Onnes, als altijd op zijn hoede voor overhaaste conclusies, dacht aan destillatie - pas in 1938 zou in Oxford en Charkov (in de Oekraïne) aan het licht komen dat het om een dunne, tegen de wanden opkruipende vloeistoffilm ging. Hij hoopte het verschijnsel te kunnen duiden zodra series metingen aan de warmtegeleiding van glas, heliumdamp en heliumvloeistof, die in Leiden op stapel stonden, achter de rug waren, terwijl ook soortelijke-warmtebepalingen en metingen van de viscositeit wenselijk geacht werden. Onnes vermoedde een verband met het eerder waargenomen maximum in de dichtheid van vloeibaar helium bij 2,2 kelvin.²⁵ Einstein, drie weken na de geslaagde aanval in Leiden op bezoek, wist er ook geen raad mee. Tijdens

24 hko aan Lorentz, 7 december 1920, ranh, Lorentz-archief.

25 Zie noot 21, paragraaf 12.

[p. 509]

een etentje in Huize ter Wetering, waar ook Jeans, Zeeman, De Sitter en Crommelin aanzaten en tijdens welk ‘het mysterie van het overhevelen van het helium’ hét onderwerp van gesprek was, betoogde Einstein dat de proef ‘het absolute bewijs’ was dat bij het absolute nulpunt de verdampingswarmte van helium nul was, om een halfuur later ‘precies het tegenovergestelde’ te beweren, ‘en zoo om en om’.²⁶

Onnes schatte de nieuwe recordkoude op 0,82 kelvin. Extrapolatie van de grafiek van de omgekeerde gereduceerde temperatuur tegen de logaritme van de gereduceerde dampdruk bracht hem tot dat resultaat. Veiligheidshalve rondde hij af op 0,9 kelvin - Keesom zou met de temperatuurschaal van 1932 de uitkomst bijstellen tot 0,83 kelvin. Veel lager dacht Onnes niet te kunnen komen, ook al vanwege de onbestaanbaarheid van een nog vluchtiger element dan helium. Niettemin achtte hij de barrière naar het absolute nulpunt van tijdelijke aard. ‘We kunnen er zeker van zijn,’ besloot Onnes zijn Faraday-lezing (door Crommelin in Londen uitgesproken), ‘dat de nu gerezen moeilijkheden zullen worden overwonnen. Nodig zijn eerst een langdurig en geduldig onderzoek naar de eigenschappen van de materie bij de laagst haalbare temperatuur.’ Het was de vertrouwde ‘door meten tot weten’-aanpak: geen wilde zijpaden inslaan, oppassen voor speculaties, empirisch te werk gaan. Die had Leiden tal van successen gebracht. Maar de superfluïditeit werd gemist. Hendrik Casimir, die in de jaren dertig als conservator van het Leidse laboratorium samen met Josina Jonker (zijn latere echtgenote) experimenteerde met supergeleiders, merkte daarover op:

De geschiedenis van vloeibaar helium zelf toont zowel de voordelen als de nadelen van de ‘door meten tot weten’-traditie. Systematische kwantitatieve metingen leverden belangrijke resultaten op, maar een aantal hoogst verrassende eigenschappen die met eenvoudige hulpmiddelen kwalitatief kunnen worden waargenomen, werden ofwel geheel over het hoofd gezien of niet nader bekeken omdat ze niet in een meetprogramma pasten. En juist in dat opzicht konden de nieuwe lagetemperaturengroepen in Cambridge, Oxford en Moskou Leiden voorbijstreven [...].²⁷

Een van die hoogst verrassende eigenschappen was de enorm veel grotere warmtegeleiding in vloeibaar helium beneden 2,2 kelvin. Het moet Onnes opgevallen zijn dat warmtetoevoer per stookdraad in vloeibaar helium boven 2,2 kelvin tot kookbellen leidde en eronder niet - onder de Leidse technici, aldus Casimir, was het fenomeen bekend.²⁸ Maar Onnes maakte er geen melding van. Waarom niet? Omdat hij er geen raad mee wist, een miljoen-

26 Zie noot 8, 7 november 1921.

27 Casimir, Het toeval van de werkelijkheid, 393.

28 H.B.G. Casimir, ‘Superconductivity and superfluidity’, J. Mehra (red.), The Physicist's Conception of Nature (Dordrecht 1973) 481-498, aldaar 493.

[p. 510]

Schematische weergave van het onderste gedeelte van de cryostaat waarmee Kamerlingh Onnes in 1921 het kouderecord op 0.83 kelvin bracht. In het buitenste dewarvat zit vloeibare lucht, in het middelste vloeibare waterstof en in het binnenste vloeibaar helium met daarin de glazen constructie binnen welke via afpompen tot zeer lage druk het kouderecord gevestigd werd. Om het warmtelek zoveel mogelijk te beperken diende een omgekeerd dubbelwandig glazen kapje, gevuld met helium - een kunststukje van glasblazer Kesselring. Het helium in de binnenste dubbelwandige beker en dat daar direct buiten ‘communiceerden’ razendsnel met elkaar via een (naar later bleek) tegen de wand opkruipende film, met als gevolg dat beide vloeistofniveaus steeds even hoog kwamen te staan.

[p. 511]

voudige toename in de warmtegeleiding paste eenvoudig niet in zijn denkraam - welk mechanisme zou daar achter moeten zitten? - en dus kwam de gedachte niet bij hem op.²⁹ De supersnelle ‘destillatie’ tussen binnenvat en buitenmantel liet hij eveneens rusten: aan de uiterst mobiele, honderd atoomlagen dikke films van vloeibaar helium die in 1938 gerapporteerd werden was hij lang niet toe. Onnes noteerde dat de vloeistofspiegel onder 2,2 kelvin niet langer ‘messcherp’ tegen de wand van het vat stond en dat vloeibaar helium bij die temperaturen ‘de gebruikelijke verschijnselen van capillariteit’ vertoonde³⁰ - en liet het daarbij. Casimir zou later opmerken dat de Leidse technici uit ervaring wisten dat tegen een lek in een in vloeibaar helium ondergedompeld toestel niet te pompen viel zodra de temperatuur onder de 2,2 kelvin zakte.³¹ Niemand die wat met die wijsheid deed: het wegvallen van de viscositeit in vloeibaar helium onder die omstandigheden was een brug te ver en zou eveneens pas in 1938 ontdekt worden. Overigens hoorde Casimir in de jaren dertig tot de jongere garde in het laboratorium die er met zijn neus bovenop zat, het een en ander probeerde, maar er niet toe kwam die ene stap te zetten.

‘Slachtoffer’ van die onverschilligheid jegens rare zaken waar men zich geen raad mee wist was de Amerikaan Leo Dana. Die was juni 1922 aan Harvard University gepromoveerd op bepalingen van de verdampingswarmte van mengsels vloeibare zuurstof en stikstof en arriveerde september dat jaar met een Sheldon-reisbeurs in Leiden met het voornemen een jaar vergelijkbaar werk bij heliumtemperaturen te doen. Zestig jaar na dato zette Dana zijn ervaringen op schrift, een prachtig inkijkje in het Leidse wereldje dat nog aan scherpte wint door het afdrukken van foto's die hij destijds van het cryogeen laboratorium verzamelde.³² Dana arriveerde kort voor de 23ste, de dag dat Kuenen plotseling overleed - waarover straks meer. De eerste weken van zijn Leidse verblijf verkeerde het laboratorium ‘in een staat van verwarring’ en van een ontmoeting met Kamerlingh Onnes, die weer eens sukkelde met zijn gezondheid en sterk was aangegrepen door de dood van zijn geliefde collega en beoogd opvolger, kon geen sprake zijn.

In afwachting van betere tijden hielp Dana alvast Onnes' promovendus Jan Boks met ‘metingen van de samendrukbaarheid van gas met apparatuur die weinig verschilde van wat Boyle gebruikte’. Onnes had eind augustus vanuit Wengen bepaald dat Dana maar met ‘isothermenwerk’ moest beginnen ‘om in onze werkwijze thuis te komen’ en ook had hij de Amerikaan opgedragen ‘speciaal hollandsch te leeren om goed in 't laboratorium terecht te kunnen’.³³ Na een paar weken was Dana de isothermen zat en schreef Onnes een brief: of Harvard niet teleurgesteld zou zijn als hun onderzoeker in Leiden niet op origineel onderzoek werd gezet. Dat hielp:

29 Kostas Gavroglu en Yorgos Goudaroulis, ‘From Physica to Nature: The Tale of a Most Peculiar Phenomenon’, Janus lxxiii (1986-1990) 53-84, aldaar 60.

30 Zie noot 21, 5.

31 Zie noot 28.

32 Leo Dana, ‘My Experience at the University of Leiden, Holland, Low Temperature Research Laboratory, September, 1922 through July, 1923’, Russell J. Donnelly en Arthur W. Francis, Cryogenic Science and Technology: Contributions by Leo I. Dana (New York, 1985) 14-32.

33 hko aan Crommelin, 31 augustus 1922, ub Leiden, archief Stationsweg, inv.nr. 52.

[p. 512]

binnen een paar dagen belde Onnes op en ontbood Dana op Huize ter Wetering. Onnes ontving hem in luxe purperen kamerjas en gevoegd bij de oosterse tapijten, antieke meubelen en schilderijen in de studeerkamer concludeerde Dana dat de man van het absolute nulpunt er warmpjes bij zat. Dat klopte: in 1921 bedroeg Onnes' belastbaar inkomen ƒ 31.500, ruim vier keer zo hoog als het maximumsalaris van een hoogleraar³⁴ (waarschijnlijk een Nobel-effect). Na wat koetjes en kalfjes kwamen de heren ter zake. Dana gaf te kennen de soortelijke warmte en verdampingswarmte van vloeibaar helium te willen meten en Onnes zei: ‘Mooi, aan de slag.’ Bij zijn vertrek kreeg Dana nog een advies mee: ‘Pruimen moet je plukken als ze rijp zijn.’

De visite aan de Haagweg hielp: alle deuren in het cryogeen laboratorium gingen van het ene op het andere moment open. De Amerikaan roemde de geoliede organisatie aan het Steenschuur, inclusief het legertje blauwe jongens. In een mum van tijd waren de benodigde toestellen in elkaar gezet en kon er gemeten worden. Dana maakte dankbaar gebruik van de diensten van leerling-instrumentmakers en als het wat later werd en de jongens klaagden dat het etenstijd was, trakteerde hij op thee met gebak. Eerst kwam de verdampingswarmte aan de beurt, daarna de soortelijke warmte. ‘Voor zover ik me herinner,’ schreef Dana, ‘hadden noch Kamerlingh Onnes noch de rest van de wetenschappelijke staf ook maar enige belangstelling voor mijn uitkomsten, uitgezonderd misschien dr. Crommelin.’ Dat was niet helemaal waar: juli 1923 maakte Onnes in een feestbundel voor Schreinemakers (de vroegere buurman van anorganische chemie) melding van Dana's (nog lopende) onderzoek, inclusief de uitkomst dat het maximum in de verdampingswarmte van helium werkelijk bestond.³⁵ Graag had Dana de opmerkelijke zaken die hij op het spoor was gekomen nader uitgediept maar het geld was op en juli 1923 keerde hij terug naar Amerika, na een afscheidsdiner in Huize ter Wetering met kaarslicht en champagne.

Binnen twee maanden stuurde Dana twee conceptartikelen naar Leiden, waar ze in een la verdwenen. Dat lijkt een merkwaardige actie: begin 1922 had Boks het maximum in de dichtheid van vloeibaar helium bij 2,29 kelvin (naar de temperatuurschaal van toen) met een nieuwe serie nauwkeuriger metingen nog eens bevestigd³⁶ - de data boden zelfs ruimte voor een sprong in de dichtheid. Op het vierde internationale koudecongres van april 1924 werden Dana's resultaten doodgezwegen. Maar de vraag wat er bij 2,2 kelvin toch met het vloeibare helium gebeurde werd steeds prangender en juni 1925 bood Onnes beide artikelen alsnog aan op de Akademie.³⁷

Dat had een speciale reden. Op 9 maart had Walther Meissner van de Physikalisch-Technische Reichsanstalt in Charlottenburg (Berlijn) laten

34 Gemeentearchief Leiden, kohier der inkomstenbelasting 1920/21.

35 H. Kamerlingh Onnes, ‘Sur des observations concernant l'équilibre des phases liquides et gazeuses de l'hélium à basses pression’, Receuil des Travaux Chimiques des Pays-Bas xlii, nos. 7/8 (15 juli-augustus 1923) 535-538.

36 H. Kamerlingh Onnes en J.D.A. Boks, ‘Further experiments with liquid helium. V. The variation of density of liquid helium below the boiling point’, Reports and Communications of the Fourth International Congres of Refrigeration, juni 1924. Comm. 170b.

37 L.I. Dana en H. Kamerlingh Onnes, ‘Verdere proeven met vloeibaar helium. ba. Voorloopige bepalingen van de latente verdampingswarmte van vloeibaar helium’, Verslagen 34 (december 1925, aangeboden juni 1925) 1335-1339. Comm. 179c (bevat extra informatie).
L.I. Dana en H. Kamerlingh Onnes, ‘Verdere proeven met vloeibaar helium. bb. Voorloopige bepalingen van de specifieke warmte der vloeistof van vloeibaar helium’, Verslagen 34 (december 1925, aangeboden juni 1925) 1340-1344. Comm. 179d (bevat extra informatie).

[p. 513]

weten uit zijn heliumliquefactor zojuist de eerste druppels vloeibaar helium te hebben afgetapt.³⁸ Onnes zal teruggedacht hebben aan de vooroorlogse tijden van Nernst en Eucken, toen Leiden op het gebied van soortelijke warmte aan een stuk door door Berlijn werd afgetroefd. ‘Nu ze te Berlijn wel spoedig met spec. w. [specifieke warmte] zullen beginnen,’ schreef hij Keesom, ‘scheen het mij bij de tegenwoordige mentaliteit in Duitschland wel gewenst, dat blijkt dat het onderwerp 't eerst hier in Leiden is aangevat en dat dit zelfs al een paar jaar geleden is geschied.’³⁹ Onnes had Verschaffelt, die hij wel vaker bij het redigeren van Communications inschakelde, gevraagd de papieren van Dana door te nemen met het oog op publicatie. Tegen de gewoonte in werden eerst ‘uittreksels’ voor de Verslagen van de Akademie gemaakt, ‘pour prendre date’, waarna in alle rust uitgebreide Engelstalige versies zouden worden opgesteld, als het moest met ‘verbeterde getalswaarden’ door ‘hernieuwde discussie’.

Kennelijk vertrouwde Onnes de nauwkeurigheid van Dana's metingen niet helemaal en had hij ze het liefst overgedaan: in de titel van beide artikelen is sprake van ‘Voorloopige bepalingen’. Zwakke punt in de experimentele opzet ter bepaling van de verdampingswarmte was de meting van de dampdruk (en daarmee de temperatuur) ter plekke van de caloriemeter, daar zou wel eens een systematische fout in kunnen zitten. Nog erger was de situatie bij de proef met de soortelijke warmte. Bij het toevoeren van warmte aan de (dubbelwandige) caloriemeter raakte het evenwicht tussen damp en vloeistof verstoord en de verdamping die optrad om de leiding van de manometer ‘bij te vullen’ onttrok warmte. Met nauwe buizen viel deze correctie nog in de hand te houden en goed te schatten, net als die voor het warmtelek in de caloriemeter. Anders lag dat met ongewenste condensatie in de enkelwandig uitgevoerde verbindingsbuis tussen caloriemeter en manometer. Om die condensatie te voorkomen werd de temperatuur in het heliumbuitenbad iets hoger gehouden dan die in de caloriemeter. Stond het vloeistofniveau in het buitenbad (tijdelijk) verkeerd, bijvoorbeeld omdat na het toevoeren per stookdraad van warmte aan de caloriemeter het evenwicht tussen damp en vloeistof even zoek was, dan kwamen door de condensatie in de verbindingsbuis de soortelijke warmtes te hoog uit. Een kwantitatieve correctie van deze fout viel niet te geven. Verdachte meetpunten zijn door Dana buiten beschouwing gelaten.

De uitkomsten voor de verdampingswarmte gaven een maximum te zien om en nabij 3 kelvin. Opvallend was een klein dipje bij 2,2 kelvin (zie figuur). Het gaf Dana en Onnes aanleiding tot de volgende voetnoot:

38 Meissner aan hko, 9 maart 1925, mb, archief hko.

39 hko aan Keesom, 23 augustus 1925, mb.

[p. 514]

Grafiek van de verdampingswarmte van helium tegen de temperatuur, in 1922 gemeten door Leo Dana. Het kleine dipje bij 2,2 kelvin, de temperatuur waarbij de dichtheid van vloeibaar helium zijn maximum had, bleek later te duiden op een verandering in de vloeistof: beneden 2,17 kelvin gaat helium-1 over in helium-11, waarbij allerlei eigenschappen een sprong te zien gaven.

Bij de temperatuur van maximum dichtheid is er verder eene onregelmatigheid die te denken geeft. Het kan zijn dat enkel het veranderen van den convectietoestand bij de overschrijding van deze temperatuur verandering in eene systematische fout brengt. Echter blijft het de aandacht waard, dat de uitkomsten, zoo hunne nauwkeurigheid, wat de verandering met nabijgelegen temperaturen betreft, voldoende was, er op zouden wijzen, dat er in de nabijheid van het maximum van dichtheid met het helium iets gebeurt, dat binnen een klein temperatuurgebied, misschien zelfs wel discontinu zich afspeelt. Op iets dergelijks wijst ook de verandering van de dichtheid der vloeistof.⁴⁰

Volgens Keesom was dit de eerste keer in de wetenschappelijke literatuur dat de mogelijkheid van een discontinuïteit in een eigenschap van vloeibaar helium werd geopperd.⁴¹ In 1932 zou diezelfde Keesom aantonen dat de dip in de verdampingswarmte direct gekoppeld was aan de piek in de soortelijke warmte. Dana's soortelijke-warmtemetingen van juni en juli 1923 wezen op het bestaan van zo'n piek maar Onnes durfde er niet aan omdat de meeste

40 Zie noot 37, 1337.

41 W.H. Keesom, Helium, 232.

[p. 515]

hoge uitkomsten aan ongecontroleerde condensatie in de caloriemeter te wijten waren en dus niet meetelden. Uiteindelijk konden 16 meetpunten de toets der kritiek doorstaan. Dana en Onnes zetten alles keurig in een tabel, maar een grafiek van de soortelijke warmte tegen de temperatuur lieten ze achterwege. Bovendien werden ditmaal alleen metingen gepresenteerd bij temperaturen boven 2,6 kelvin. De soortelijke warmte bleek min of meer lineair met de temperatuur te lopen, al gaven de laagste temperaturen afwijkingen naar boven te zien. Achteraf bezien: de aanloop naar de piek.

Maar waarom zou Dana ditmaal niet beneden 2,2 kelvin hebben gemeten? De dip in de verdampingswarmte in het achterhoofd zal hij in soortelijke-warmtebepalingen rond die temperatuur sterk geïnteresseerd zijn geweest. In 1927 kwam uit dat Dana inderdaad rond 2,2 kelvin had gemeten.⁴² Dat jaar lanceerden Keesom en gastonderzoeker M. Wolfke na het opmerken van een sprong bij 2,2 kelvin in de diëlektrische constante van vloeibaar helium⁴³ het idee van de faseovergang: afkoelend helium zou bij 2,2 kelvin overgaan van helium-1 naar helium-11, waarbij allerlei eigenschappen een sprong zouden vertonen of door een maximum of minimum zouden gaan. Voor de dichtheid, verdampingswarmte en diëlektrische constante was dat inmiddels aangetoond en de vraag rees of ook de soortelijke warmte iets ‘geks’ zou laten zien.

Speurend in het originele notitieboekje van Dana ontdekte Keesom dat de Amerikaan (waarschijnlijker: Onnes) drie metingen ten onrechte terzijde had geschoven. Ze gaven een hogere soortelijke warmte dan de metingen tussen 2,5 en 4,1 kelvin: de piek waarop gehoopt was bestond echt - al duurde het tot 1932 eer Keesom en K. Clusius de soortelijke warmte van vloeibaar helium nog eens goed onderhanden namen en het onomstotelijke experimentele bewijs leverden.⁴⁴ Dana moet juli 1923 gevoeld hebben iets belangrijks op het spoor te zijn: aanwijzingen voor een piek in de soortelijke warmte, een dip in de verdampingswarmte: er was iets met dat vloeibare helium. Na de zomer, toen hij zijn twee artikelen naar Onnes had gestuurd, vervolgde Dana zijn loopbaan bij de Linde Air Products Company in Buffalo, een onderdeel van Union Carbide.⁴⁵ Het bericht van de faseverandering in vloeibaar helium zal in 1927 gemengde gevoelens hebben opgeroepen.

42 W.H. Keesom en M. Wolfke, ‘Twee verschillende vloeistoftoestanden van het helium’, Verslagen 36 (december 1927) 1204-1208. Comm. 190b.

43 M. Wolfke en W.H. Keesom, ‘Over de verandering met de temperatuur van de dielectrische constante van vloeibaar helium. Voorloopige metingen’, Verslagen 36 (december 1927) 1209-1217. Comm. 190a.

44 W.H. Keesom en K. Clusius. ‘Ueber die spezifische Wärme des flüssigen Heliums’. Procedings Royal Acad. 35 (april 1932) 307-319. Comm. 219e.

45 Donnelly en Francis, 59.

300 vellen millimeterpapier

Dana was in Leiden toen daar het veertigjarig jubileum van Onnes' professoraat werd gevierd. Het personeel had zich flink uitgesloofd en een gelegenheidsgezelschap speelde het Largo van Händel.⁴⁶ Op historische locaties in het laboratorium stonden toestellen uitgestald die tussen 1882 en 1922 dienst hadden gedaan - conservator Crommelin waakte behalve over het

46 mb, archief hko, inv.nr. 196.

[p. 516]

Fysisch Kabinet op zolder ook over de collectie latere instrumenten. Aan de muren hingen plakkaten met opschriften als ‘door meten tot weten’, ‘0,82 kelvin’ (verwijzend naar de laagste temperatuur), ‘stof zal wel altijd aantrekking vertoonen moeten’ (een uitspraak van Van der Waals) en ‘pV = A + B/V + C/V² + D/V⁴ + E/V⁶’ (de empirische toestandsvergelijking). Op de plaats waar op 10 juli 1908 voor het eerst vloeibaar helium was gemaakt kwam een bronzen gedenkplaat. Langs de trappen waren cartoons bevestigd die ‘eenige hinderpalen’ in de race naar het absolute nulpunt verbeeldden, zoals een voorbijrijdende auto (trillingen) en ontploffend glaswerk - zelfs de honden uit het Groningse cyclopenhol waren weer uit de kast gehaald. Illustratief voor de status van Flim is zijn prominente positie op de eerste rij op de staatsiefoto met het wetenschappelijk en technisch personeel, inclusief assistenten en blauwe jongens, die voor de gelegenheid werd gemaakt.⁴⁷

Van de cadeaus die Onnes op zijn feestje kreeg sprongen er twee uit: het gedenkboek 1904-1922, opvolger van het overzicht dat hem bij zijn 25-jarig doctoraat was aangeboden en nog dikker. En vanuit Parijs liet het Institut International du Froid weten Onnes te willen eren met het opzetten van een fonds dat internationale onderzoekers in de gelegenheid moest stellen in Leiden lage-temperaturenonderzoek te verrichten - Georges Claude was zo sportief de 10.000 franc die hij in 1913 in Chicago had toegezegd direct te storten. En dus meldden zich vanaf 1922 uit alle windstreken onderzoekers,

Drieluik met een feestelijke expositie ter gelegenheid van Kamerlingh Onnes' veertigjarig professoraat op 11 november 1922. Links de spreuk ‘door meten tot weten’ uit de oratie, midden een uitspraak van Van der Waals: ‘stof zal wel altijd aantrekking vertoonen moeten’ (waarmee bedoeld werd dat bij ieder gas de moleculen elkaar aantrekken, zodat condensatie tot vloeistof mogelijk is).

47 Zie noot 32. Dana's artikel met herinneringen bevat vele foto's.

[p. 517]

veel hoogleraren maar ook postdocs. In zijn verslag aan het vierde internationale koudecongres van april 1924 in Londen liet Onnes twintig van zijn gasten de revue passeren, van sir R.A. Hadfield uit Londen die in Leiden ferromagnetisme bestudeerde via de Japanner I. Sasmashima die aan Knudsen-manometers werkte tot J. de Wierusz-Kowalski, Pools gezant te Den Haag en expert op het gebied van fosforescentie.⁴⁸

En zo liep het verbouwde en uitgebreide Natuurkundig Laboratorium na een moeizane start vanwege de overheidsbezuinigingen na 1922 als een trein. Wat huishoudelijke getallen: er gingen jaarlijks 300 vellen millimeterpapier doorheen, 1000 vel kopieerpapier, 150 pakken lucifers, 3 grote flessen schrijfinkt, 60 opschrijfboekjes, 24 vlakgommen, 48 liter petroleum, 48 pakken Sunlight-zeep en 120 rollen closetpapier.⁴⁹ Wat cryogene getallen: in de cursus 1922-1923 werd er 5962 liter vloeibare lucht geproduceerd, 1328 liter vloeibare waterstof en kende het laboratorium 19 ‘heliumdagen’.⁵⁰ Behalve hoogleraren, conservatoren en een paar buitenlanders werkten er zo'n tien assistenten (al dan niet gepromoveerd) plus een handvol doctoraalstudenten. Ter vergelijking: het Utrechtse fotometrische laboratorium van W.H. Julius had in 1920 acht assistenten, een observator, een amanuensis alsmede een paar instrumentmakers in dienst,⁵¹ alles met een begroting van ƒ8 500 tegen ƒ3 0.165 voor Leiden.

Onnes' leerlingen hielden zich de naoorlogse periode vooral bezig met isothermen, temperatuurschalen en magnetisme. Voor een deel waren dat herhalingsoefeningen, zij het met nauwkeuriger apparatuur, voor een deel ging het om uitbreidingen van eerder onderzoek. De resultaten werden getoetst aan de empirische gereduceerde toestandsvergelijking en de wet der overeenstemmende toestanden. Bepalingen van de tweede viriaalcoëfficiënt b zeiden iets over de intermoleculaire krachten, een onderwerp waaraan Keesom theoretisch had gerekend. In geval van helium, een simpel eenatomig gas, bestond de hoop via het nauwkeurig meten van afwijkingen in de wet der overeenstemmende toestanden quantumeffecten op het spoor te komen. Onnes reageerde dan ook zeer verheugd toen Einstein over quantumcorrecties op de toestandsvergelijking en de wet der overeenstemmende toestanden speculeerde (in een brief die verder Lorentz' naderende gouden doctoraat tot onderwerp had, zie ook hoofdstuk 33).⁵² Einsteins grondgedachte, zo antwoordde hij, sloot helemaal aan bij zijn leidmotief.⁵³ Was de kracht van het Leidse experimentele onderzoek niet altijd geweest dat gewerkt werd vanuit een theoretisch kader?

Zo'n theoretisch richtsnoer ontbrak totaal in het Leidse onderzoek naar supergeleiding. Op het derde Solvay-congres, april 1921, gaf Onnes een overzicht van de sinds 1911 (toen hij het suprageleidende kwik op het eerste

48 Zie noot 18. Behalve de genoemde onderzoekers ging het om: J. Beattie (mit, thermometer-ijkingen), J. Timmermans (Brussel, smeltpunten), J.C. Swallow (Londen, waterstof-isothermen), J.R. Roebuck (Madison, Joule-Kelvineffect), L.I. Dana (Harvard, helium), E. Mathias (Clermont-Ferrant, rechtlijnige diameters), T. Verschoyle (Nortwich, mengsels), K. Hof (Otten, paramgnetisme), L.J. Jackson en G. Breit (VS, kristallen), J.C. McLennan (Toronto, spectroscopie), L. Vegard (Christiania, kosmische straling), J. de Smedt (Leuven, Röntgenverstrooiing), J. Beqcuerel (Parijs, fosforescentie) en M. Wolfke (Warschau, diëlektrische constante).

49 hko aan curatoren, 10 november 1921, ub Leiden, archief Stationsweg.

50 W.H. Keesom, ‘Prof. Dr. H. Kamerlingh Onnes; Zijn Levenswerk, de stichting van het Cryogeen Laboratorium’, In Memoriam Heike Kamerlingh Onnes (Leiden 1926) 27.

51 H.G. Heijmans, Wetenschap tussen universiteit en industrie. De experimentele natuurkunde in Utrecht onder W.H. Julius en L.S. Ornstein 1896-1940 (Utrecht 1994) 164.

52 Einstein aan hko, 4 november 1924, mb, archief hko.

53 hko aan Einstein, 13 november 1924, mb.

[p. 518]

Solvay-congres presenteerde) behaalde resultaten.⁵⁴ Kwik had gezelschap gekregen van lood, tin, thallium⁵⁵ en de loodisotoop radium-g.⁵⁶ Thalliumdraden van 0,2 en 0,5 mm dik, bifilair gewikkeld rond een porseleinen cilinder waarin een schroefvormige inkeping was gebakken, waren begin 1917 alvast doorgemeten bij 0^oC. Juni 1919 werd de sprongtemperatuur vastgesteld op 2,32 kelvin. Een jaar later kwamen lood en uraniumlood (radium-g) aan de beurt. Beide isotopen, met atoomgewichten van 207,20 en 206,06, werden doorgemeten in een speciale heliumdampcryostaat die het lastig te beheersen temperatuurgebied van 4 tot 14 kelvin bestreek. De sprongtemperatuur van zowel lood als uraniumlood lag op 7,2 kelvin; een eventueel verschil bedroeg op zijn hoogst 1/⁴⁰ graad.

Dat was opvallend: het massaverschil van beide atoomsoorten, aldus Onnes op het derde Solvay-congres, zou immers tot verschillende frequenties van de Planckse vibratoren aanleiding kunnen geven, zich uitend in verschillende sprongtemperaturen. Pas in de jaren vijftig werd duidelijk dat zo'n isotoop-effect wel degelijk bestaat en dat de sprongtemperatuur omgekeerd evenredig loopt met de wortel uit het atoomgewicht. Voor lood en uraniumlood gaf dat een verschil in sprongtemperatuur van 0,02 kelvin, net onder de meetnauwkeurigheid van Onnes.⁵⁷

In Brussel vroeg Onnes zich af of supergeleiding was voorbehouden aan een beperkt aantal metalen. Ook de kwestie van de microrestweerstand kwam ter sprake: volgens Onnes was die reëel. Het verschijnsel persisterende stroom zou in overeenstemming zijn met de regel van Lippmann: de door een supergeleidende kringstroom (bijvoorbeeld die in een loden ring) omvatte magnetische flux is onveranderlijk (anders kon in de ring inductiespanning ontstaan die bij weerstand nul tot oneindig sterke stroom aanleiding zou geven). Lippman, een kennis van Onnes uit zijn Wanderjahr in Heidelberg, had zijn regel in 1919 opgesteld. Die, naar later zou blijken foutieve, voorstelling van zaken gaf aanleiding tot de doctrine van het ‘ingevroren veld’: werd een massieve supergeleider, dus geen ring of holle bol, in aanwezigheid van een constant magnetisch veld tot onder de overgangstemperatuur afgekoeld, dan zou daarbij de magnetisatie niet veranderen, ook niet als het veld vervolgens werd afgezet. Dat vooroordeel blokkeerde iedere wezenlijke vooruitgang in het begrip van supergeleiders en hield stand tot Meissner in 1933 ontdekte dat in massieve supergeleiders de stroom alleen aan de oppervlakte loopt.⁵⁸

Onnes eindigde zijn Solvay-voordracht van 1921 met een lijstje vragen die dringend antwoord behoefden en die waren geïnspireerd op het atoommodel van Rutherford en Bohr (in een atoom zijn alleen bepaalde elektronenbanen toegestaan, ieder met een vaste energie). Samen vormden die vragen

54 H. Kamerlingh Onnes, ‘Les superconducteurs et le modèle de l'atome Rutherford-Bohr’. Atomes et électrons. Rapport iiiieme Conseil Solvay (Parijs, 1923) 165-197. Comm. supplement 44a (zonder discussie).

55 H. Kamerlingh Onnes, ‘Verdere proeven met vloeibaar helium. q. Over den electrischen weerstand van zuivere metalen enz. x. Metingen betreffende den electrischen weerstand van thallium in het temperatuurgebied van vloeibaar helium’, Verslagen 31 (oktober 1922) 467-474. Comm. 160a.

56 Ibid., R., etc. xi. Metingen betreffende den electrischen weerstand van gewoon lood en van uraniumlood beneden 14^o K. Verslagen 31 (oktober 1922) 475-481. Comm. 160b.

57 Dahl, Superconductivity, 101.

58 Casimir, noot 25, 486-487. Dahl, 102-103.

[p. 519]

een programma dat een sleutelrol aan een uitwendig magnetisch veld toebedeelde, maar dat in Leiden niet op coherente wijze van de grond kwam.⁵⁹ In plaats daarvan volgde juni 1923 de aankondiging van de vijfde supergeleider: indium, met een sprongtemperatuur van 3,40 kelvin.⁶⁰ April 1924 was het vierde Solvay-congres gewijd aan elektrische geleiding in metalen. Omdat Onnes door ziekte in Brussel afwezig was mocht de naar Leiden teruggekeerde Keesom de laatste bevindingen op het gebied van supergeleiding presenteren.⁶¹

Die behelsden om te beginnen een bijstelling naar omlaag van de microrestweerstand. Rapporteerde Onnes in 1911 in Brussel voor supergeleidend lood van 4,2 kelvin nog een restwaarde van 0,5.10⁻¹⁰ maal de weerstand bij 0^oC, nieuwe proeven met persisterende stromen hielpen dat getal met een factor tien omlaag. Die proeven waren mogelijk sinds de ontkoppeling van heliumcryostaat en liquefactor, zodat het gedreun in het cryogeen laboratorium geen last meer gaf. Eerst werd gekeken naar persisterende stromen in twee concentrische supergeleidende loodringen, waarvan er vervolgens één over een zekere hoek gedraaid werd. Het evenwicht dat ontstond tussen het elektrodynamische koppel op de beweegbare ring en het torsiekoppel van de ophanging werd zes uur lang nauwlettend in de gaten gehouden. Uit de stabiliteit concludeerde Onnes dat de variatie in relatieve stroomsterkten onder de 1/2100 per uur lag, corresponderend met een factor tien kleinere microrestweerstand. Vervolgens werd de binnenring vervangen door een holle glazen bol waarop een dun laagje lood gedampt was. Op die manier hoopte Onnes aan te tonen dat de stroom in een supergeleider via vaste ketens van aangrenzende atomen liep, een notie die van Lorentz een theoretische onderbouwing kreeg⁶² en die ook Einstein bij gebrek aan beter min of meer aanhing.⁶³ Uit de duurzaamheid van het evenwicht tussen bol en ring volgde tevens een microrestweerstand die weer een factor tien lager lag. Maar de stap van bijzonder klein naar nul maakte Onnes niet, dat was speculatie en daar deed hij niet aan.

Overigens had Einstein op basis van het kettingsnoer-idee aangaande de geleiding van elektriciteit het vermoeden uitgesproken dat op de contactplaats van twee aan elkaar geplakte supergeleiders, bijvoorbeeld een blokje tin met aan weerskanten blokjes lood, weerstand zou optreden omdat de snelheid van het elektriciteittransport in zo'n keten per stof verschilt. Maar toen Onnes de proef op de som nam bleek ook de combinatie supergeleidend.⁶⁴

In zijn beschouwing van 1924 kwam Onnes terug op de vraag die Paul Langevin al in 1911 in Brussel had opgeworpen: stond supergeleiding in verband met allotropie: verandering in de structuur van de materie. Dana

59 Gavroglu en Goudaroulis, Through Measurement to Knowledge, lxxiii-lxxviii.

60 W. Tuyn en H. Kamerlingh Onnes, ‘Verdere proeven met vloeibaar helium. s. Over den electrischen weerstand van zuivere metalen enz. xii. Metingen betreffende den electrischen weerstand van indium in het temperatuurgebied van vloeibaar helium’, Verslagen 32 (juni 1923) 660-665. Comm. 167a.

61 H. Kamerlingh Onnes, ‘Nouvelles expériences avec les supraconducteurs’. Solvay 1924, 251-281. Comm. Supplement 50a (zonder discussie).

62 H.A. Lorentz, ‘On the motion of electricity in a spherical shell placed in a magnetic field’, Reports on the Fourth International Congress of Refrigeration (Leiden 1924). Comm. supplement 50b.

63 A. Einstein, ‘Theoretische Bemerkungen zur Supraleitung der Metalle’. Het Natuurkundig Laboratorium 1904 - 1922, 429-435.

64 Ehrenfest aan Lorentz, 13 maart 1921, ranh, Lorentz-archief.

[p. 520]

was nog van plan geweest in Leiden na te gaan of er een warmte-effect optrad zodra tin supergeleidend werd, maar bij gebrek aan tijd bleef het bij een verkennende proef die geen uitsluitsel bood.⁶⁵ Vlak voor het Solvay-congres van 1924 had Keesom met een Debije-Scherrer-camera nog een röntgenopname van supergeleidend lood gemaakt en geconstateerd dat de kristalstructuur dezelfde was als die bij kamertemperatuur.⁶⁶ En tijdens de discussie van Onnes' rapport bleek dat ook de intensiteiten van de pieken in de röntgenopnamen van lood onder en boven de sprongtemperatuur geen verschil te zien gaven, wat volgens Paul Langevin en William Bragg betekende dat ook de elektronenstructuur geen verandering onderging. Waarna Madame Curie vaststelde dat juist prima geleiders als goud en koper geen supergeleiders waren, zodat het onderliggende mechanisme wel totaal afwijkend moest zijn.

Op dat moment was Gerard Sizoo in Leiden begonnen aan zijn promotieonderzoek naar de invloed van de atoomafstand op supergeleiding. Wadend in de dikke theoretische mist die boven de supergeleiding hing, had Onnes zich afgevraagd of elastische deformatie van het atoomrooster een effect te zien zou geven. Het verloop van de weerstand tegen de temperatuur rond de sprongwaarde, aldus Onnes' rapport voor het vierde Solvay-congres, bleek in geval van een gespannen tindraad met 0,015^oC verschoven te zijn. Uitrekken, en dus het vergroten van de atoomafstand zou, zo verwachtte Onnes, het optreden van supergeleiding bevorderen. Het was Sizoo - in 1918 op het Philips NatLab begonnen, in Leiden Onnes' assistent en na zijn promotie in 1926 weer werkzaam onder Holst in Eindhoven⁶⁷ - die bij tin en indium de effecten van uitrekking en samenpersing onderzocht. Juni 1925 rapporteerden hij en Onnes de meetresultaten aan de Akademie.⁶⁸ Samenpersen (tot 1500 atmosfeer) bleek het sprongpunt inderdaad naar een lagere temperatuur te verschuiven, bij tin ongeveer 0,05 millikelvin per atmosfeer. Dat proeven bij (grote) drukken van 193 en 300 kg/cm² vrijwel dezelfde verschuiving te zien gaven kwam naar alle waarschijnlijkheid door het bevriezen van het helium in de compressiebuis in die omstandigheden⁶⁹ - een effect dat Onnes en Sizoo niet onderkenden zodat de ontdekking van vast helium, door Keesom, nog driekwart jaar op zich liet wachten.

De invloed van samenpersen op de sprongtemperatuur had ook de belangstelling van Franz Simon, in 1924 Privatdozent in Nernsts Physikalisch-Chemisches Institut in Berlijn. Hij schreef erover naar Onnes en kreeg prompt een uitnodiging om in Leiden te komen werken - angst om zijn Habilitation (en economische vooruitzichten) op de tocht te zetten weerhield de Duitser op het aanbod in te gaan.⁷⁰ Simon (een oorlogsveteraan met een IJzeren Kruis die in de jaren dertig als jood zijn academische positie behield

65 Zie noot 54.

66 W.H. Keesom en H. Kamerlingh Onnes, ‘On the question of the possibility of a polymorphic change at the point of transistion into the supraconductive state’. Comm. 174b.

67 Kees Boersma, Inventing Structures for Industrial Research (Amsterdam 2002) 35.

68 G.J. Sizoo en H. Kamerlingh Onnes, ‘Verdere proeven met vloeibaar helium. cb. Over den electrischen weerstand van zuivere metalen enz. xiv. Invloed van elastische deformatie op de suprageleiding van tin en indium’, Verslagen 34 (juni 1925) 606-612. Comm. 180b.

69 W.H. Keesom, ‘Vast helium’, Verslagen 35 (september 1926) 794-803. Comm. 184b.

70 Simon aan hko, 3 juni 1924, mb, archief hko.

[p. 521]

maar niettemin uitweek naar Oxford, waar hij meehielp het Clarendon Laboratory tot een eersteklas cryogeen laboratorium uit te bouwen⁷¹) deed Onnes februari 1924, uitgaande van het bestaan van nulpuntsenergie, de suggestie dat alkalimetalen wel eens potentiële supergeleiders konden zijn. Op dat moment was Herman Woltjer net tot de conclusie gekomen dat natrium en kalium ook bij 1,5 kelvin nog geen teken van supergeleiding vertoonden.⁷²

Behalve met het opsporen van supergeleidende metalen onderscheidde Willem Tuyn zich met onderzoek naar de juistheid van de Silsbee-hypothese (zie hoofdstuk 29 en 33). Die stelde bij wijze van ‘wilde gedachte’⁷³ dat de drempelstroom nodig om supergeleiding te verstoren een magnetisch veld opwekt gelijk aan het drempelveld dat dezelfde verstoring teweegbracht. Drempelstroom en drempelveld hadden dus alles met elkaar te maken. Baseerde Silsbee zich op beperkte vooroorlogse metingen aan kwik, tin en lood, Tuyn verzamelde op grote schaal gegevens over het magnetische drempelveld bij verschillende temperaturen in geval van lood, tin en indium. Ook bepaalde hij enkele drempelstromen bij thallium, lood en tin. De conclusie was dat de hypothese van Silsbee juist was.⁷⁴ Bijzonder origineel was een proef met een tinnen cilinder met daarin een koperdraad, gedompeld in

Hysterese, door Sizoo in 1925 ontdekt. In de grafiek van de weerstand van een supergeleider tegen de sterkte van het uitwendige veld laat het verloop rond het drempelveld (waarbij de weerstand terugkeert) bij toenemend veld een vloeiende curve zien, terwijl bij afnemend veld de weerstand sprongsgewijs inzakt.

71 Dahl, Superconductivity, 139-141.

72 H.R. Woltjer en H. Kamerlingh Onnes, ‘Further experiments with liquid helium. Y. On the electrical resistance of pure metals etc. xiii. On the electrical resistance of Na en K in the temperature region of liquid helium’, Reports, etc. ivth International Congress of Refrigeration (Leiden 1924). Comm. 173a.

73 W. Tuyn, Weerstandsmetingen in vloeibaar helium (Leiden 1924) 67-68.

74 W. Tuyn en H. Kamerlingh Onnes, ‘Further experiments with liquid helium. aa. The disturbance of supraconductivity by magnetic fields and currents. The Hypothesis of Silsbee.’ Franklin Institute, Journal 201 (1926) 379-410. Comm. 174a. Zie ook noot 53, hoofdstuk 2, 67-111.

[p. 522]

vloeibaar helium met een temperatuur die onder het sprongpunt lag. Eerst werd de stroomsterkte door het tin opgevoerd, waarbij de supergeleiding op een gegeven moment verstoord raakte. Vervolgens werd door het koper een tegengestelde stroom gestuurd. Het effect was dat het magnetische veld opgewekt door de stroom door het tin verzwakt werd. Volgens de Silsbeehypothese moet in die situatie, ook al blijft de stroom door het tin boven de drempelwaarde liggen, de supergeleiding terugkeren - hetgeen geschiedde.

Onnes' laatste wapenfeit op het vlak van supergeleiding was de ontdekking door zijn assistent Sizoo van hysterese: het verschijnsel dat de weerstand van een supergeleider rond het drempelveld bij een klimmend magnetisch veld een ander verloop heeft dan bij een dalend veld. Een typisch geval van serendipiteit. Sizoo's onderzoek naar de invloed van het uitrekken of samenpersen van een supergeleider op de sprongtemperatuur (gestart in maart 1924, kort voor Onnes' emeritaat) kreeg begin 1925 een logisch vervolg in onderzoek naar de invloed van deformatie op het magnetische drempelveld. Die invloed bleek inderdaad te bestaan, maar de vondst van de hysterese gaf het geheel een verrassende wending. Nadat de hysterese eerst bij tin was vastgesteld,⁷⁵ kwam ze bij kwik pas echt krachtig tot uiting, met scherpe sprongen in de neergaande tak van de weerstandsgrafiek⁷⁶ (zie figuur). De kwikdraden waren gevat in glascapillairen - ook bij voorzichtig afkoelen knapte de helft. Heldere conclusies vielen uit de waarnemingen niet te trekken maar duidelijk was dat de manier van kristalliseren een rol speelde. Dus verschoof de aandacht naar hysterese bij eenkristallen - het groeien van die eenkristallen was overigens een vak apart. In de jaren dertig leverde dat nieuwe, belangrijke gezichtspunten op. In Berlijn.⁷⁷

75 G.J. Sizoo, W.J. de Haas en H. Kamerlingh Onnes. ‘Invloed van eleastische deformatie op de magnetische verstoring der suprageleiding bij tin. Hysteresisverschijnselen’, Verslagen 34 (november 1925) 1150-1161. Comm. 180c.

76 W.J. de Haas, G.J. Sizoo en H. Kamerlingh Onnes, ‘Over de magnetische verstoring der suprageleiding bij kwik’ 1 en 11. Verslagen 34 (november en december 1925) 1162-1178 en 1321-1334. Comm. 180d.

77 Het gaat dan met name om de ontdekking van het Meissner-effect. Zie Dahl, Superconductivity, 132 en 197-201.